本文建立了一种基于双目3D显示观察的主观实验流程，利用主观实验数据来分析汽车车载增强现实抬头显示（AR-HUD）设备中的动态畸变对驾驶员主观感受的影响，同时评估观看来自不同眼盒位置的图像时双目融合过程中驾驶员可以接受的畸变大小临界值。实验研究结果显示，随着两眼之间的动态畸变差异的增大，驾驶员融合图像变得越来越困难，观看的不适程度也出现较快增长。同时本文也揭示了驾驶员在使用AR-HUD设备的过程中，同一眼盒两个不同位置处驾驶员可以接受的动态畸变临界条件为垂直畸变小于2%，水平畸变小于1%。此研究证实了动态畸变对驾驶员的主观感受具有较为显著的影响，并且为汽车抬头显示系统中光学设计的优化畸变过程提供了相关的数值约束参考。

移动电子设备在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，具有轻薄特性的便携式三维显示也因此受到了广泛关注。针对移动信息终端的应用需求，重点介绍指向背光显示、压缩光场显示、集成成像显示、指向光场显示这4种便携式三维显示技术的研究进展，并针对便携式设备的应用场景，就如何有效利用显示带宽展开了分析，最后对便携式三维显示未来的发展进行展望。

自由曲面具有灵活的面形结构，用于光束调控可获得高性能、轻小型的系统，可创造新的结构形式和实现新的光束调控功能。自由曲面光束调控是一个根据输入和目标反求光学自由曲面的逆问题。Monge-Ampère（MA）方法基于理想光源近似，将自由曲面光束调控逆问题转化成一个带有非线性边界条件的MA方程。MA方法无需预先给定光线落点位置，而是通过控制曲面的高斯曲率分布来实现对光传输的高效灵活调控，被认为是当前最有效的可自动满足曲面连续性可积条件的自由曲面设计方法。对MA方法的研究进展进行了概述，详细介绍了自由曲面光束强度调控模型，以及自由曲面光束强度和波前同时调控模型的构建过程与求解方法，并通过三个设计实例充分展示了各类光束调控模型的有效性和MA方法的优势。

液晶偏振体光栅作为一种新型波导耦合元件,因其较宽的角度响应带宽和独特的偏振特性而受到关注。然而,目前对液晶偏振体光栅的研究还在初步阶段,基于液晶偏振体光栅的波导显示系统主要存在出瞳范围较小的缺点。制备了中心波长为532 nm、光束垂直入射时反射衍射角为50°的液晶偏振体光栅,光栅峰值衍射效率达到75%。将其作为波导显示系统的耦合元件可实现图像的传输和显示。同时,设计和实现了出瞳在一维和二维方向上的扩展,将出瞳扩大了到14 mm×12 mm的范围。

传统平面显示技术无法满足360°视角、高分辨率的显示效果。提出了一种基于人眼跟踪的360°悬浮显示系统。利用多摄像头人眼跟踪算法实时获取观察者视点位置,并利用OpenGL生成对应视角画面。为实现360°显示,设计了一种折反射式柱面投影光学系统。为充分利用投影仪有限的分辨率,提出了一种半周显示方案。为显示正确图像,提出了基于贝塞尔曲面的预畸变校正方法和极坐标系转换方法,最终实现了系统360°水平视角和一定范围内垂直视角可视。实验结果表明,所提系统能以高分辨率、低成本的方式实现静态或动态的悬浮显示效果。

随着全面屏手机的发展，手机屏下成像的研究应运而生。但由于手机屏幕存在电路走线和其他不透明部分，光通过屏幕会产生衍射，降低成像结果的图像质量，本文从图像复原的角度，对屏下相机拍摄的图像进行恢复。通过测量得到手机成像系统的点扩散函数(PSF)，利用测得的PSF，对图像进行反卷积处理。本文改进了传统的反卷积方法，对原始图像进行颜色空间转换，然后对不同的通道分别处理。相较于传统反卷积方法，改进后的反卷积方法得到的处理结果在结构相似度(SSIM)、峰值信噪比(PSNR)等指标上都有提高，运行时间更短。在分通道反卷积之后，使用非局部平均算法进行去噪处理，进一步提高了屏下图像的质量。

三维(3D)显示以其自然直观的方式受到广泛关注。提出一种基于悬浮真三维显示系统的指套式力触觉交互方法。通过Leap Motion提取指尖坐标,利用双目相机实现光场显示区域和交互区域的坐标转换;判断手与显示区域的位置关系,传递信号使指套振动,从而完成力触觉交互。结果表明,利用所提方法可以完成光场显示区域和交互区域的坐标转换,转换精度在5 mm以内。当用户与三维显示模型交互时,有效和实时的力触觉交互有助于增强真实的感官体验。